一种基于底吹氧枪的熔炼炉熔炼方法

摘要

本发明公开一种基于底吹氧枪的熔炼炉熔炼方法，包括设计新的熔炼炉或根据熔炼炉炉型设计参数，建立富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台；通过富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台根据实时熔炼过程建立熔炼炉的动力学‑热力学瞬态形貌；将动力学‑热力学瞬态形貌传递显示于DCS系统，DCS系统根据实时熔炼过程对变频微机控制器进行变频控制，实现对熔炼炉强化传热；DCS系统通过变频微机控制器控制底吹氧喷枪出富氧的频率；本发明实现了提高了熔炼炉的生产效率，强化传热并以最小的能耗得到最佳的熔池搅拌效果。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金与能源技术领域，特别是涉及一种基于底吹氧枪的熔炼炉熔炼方法。

背景技术

我国自主研发的喷枪底吹熔炼技术是熔池熔炼的一种关键强化技术，对品位低、杂质多的矿产资源具有很好适应性，经过20年来的迅猛发展，现已广泛应用于铜、锡、铅等有色金属的冶炼过程。

底吹氧枪是底吹熔炼炉的核心部件之一，在熔炼过程中，气体通过喷枪射入炉内，为反应提供氧化剂和熔体搅拌所需动力，直接影响底吹炉负荷率、作业率、炉寿、炉况及附属设备的能耗。精矿、熔剂等炉料从炉顶给料口加入，在喷枪喷出的高速气流作用下，熔池处于剧烈的搅动状态，物料在高温、高湍动下迅速熔化并进行强烈的硫化物的氧化造渣和脱硫等物理化学反应。良好的熔炼炉熔池的搅拌能够增大炉渣层和金属相与炉气的接触，强化有色金属氧化生成金属氧化物进入炉渣以及炉渣中金属氧化物挥发的动力学条件。

综上可知，底吹熔池熔炼炉内的反应动力学过程极其复杂，炉膛内的温度场、流场波动大，影响因素多，过程不易控制。要实现熔炼过程高效连续地进行，以最小的能耗代价实现最佳的熔池搅拌效果，最关键的技术问题就是如何强化炉内传热传质过程，优化底吹熔池熔炼炉的各项操作参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于底吹氧枪的熔炼炉熔炼方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现将冶金计算流体力学模拟与强化传热技术相结合，为提高富氧底吹熔池熔炼炉的生产效率、强化传热并优化熔池搅拌效果，避免泡沫渣等重大工艺事故的发生；并促进有色冶炼行业的节能减排提供切实可行的优化型技术方案。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于底吹氧枪的熔炼炉熔炼方法，包括以下步骤：

步骤一：设计新的熔炼炉或根据熔炼炉炉型设计参数，建立富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台；

步骤二：通过所述富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台根据实时熔炼过程建立熔炼炉的动力学-热力学瞬态形貌；

步骤三：将所述动力学-热力学瞬态形貌传递显示于DCS系统，所述DCS系统根据实时熔炼过程对变频微机控制器进行变频控制，实现对所述熔炼炉强化传热；

步骤四：所述DCS系统通过所述变频微机控制器控制底吹氧喷枪出富氧的频率。

所述步骤一中设计新的熔炼炉需根据设计参数和安装现场尺寸条件，通过所述富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台计算出包括但不限于所述熔炼炉的炉型尺寸，所述底吹氧枪的口径及相邻所述底吹喷枪的间距。

优选的，根据设计参数及熔炼炉安装现场的尺寸条件，利用模拟平台计算出最佳炉型尺寸、喷枪口径、烟道倾斜角度等关键参数，为新炉型的设计定型提供最优施工方案参考；但设计参数还包括炉内吹氧喷枪个数间距和最佳尺寸，熔池液面变化规律，波动系数，安装形式等辅助参数。

所述步骤二中所述富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台通过RNGκ-ε湍流扩散模型，VOF(体积分数函数)多相流模型，增强壁面函数模型和P1辐射模型得出流体力学传热传质控制方程组，并通过CFD软件进行求解；

采用压力隐式分裂算子(Pressure Implicit Split Operator，PISO)耦合压力-速度场，计算出剧烈搅动的所述熔炼炉熔池内的动力学-热力学瞬态形貌。

所述压力隐式分裂算子耦合压力-速度场的压力离散格式采用PRESTO！格式；所述动力离散格式由二阶迎风格式实现，用于保证体积分数的瞬态几何重构(Geo-reconstruct)。

优选的，RNGκ-ε湍流扩散模型经过重整规划群统计学技术(ReNormalizationGroup theory，简称RNG)优化过；

所述步骤二还包括根据所述熔炼炉内熔炼过程参数，建立动态数据库；所述动态数据库用于对所述富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台得到的参数进行实时迭代式对比与智能化修正，将修正后的所述动力学-热力学瞬态形貌传递给所述DCS系统。

所述动态数据库是以所述熔炼炉内运行过程中的空气量，氧气量，给料速度，富氧浓度以及熔炼各阶段的熔池液面位置的基本变化规律、熔池波动的运行参数为基础建立的。

所述实时熔炼过程由所述熔炼炉不同熔炼阶段所需要的工艺环境，熔池液面和金属锍层的位置变化以及工艺风含氧量的波动决定。

所述吹氧喷枪包括枪身和与所述枪身法兰连接的喷头；所述喷头内安装有芯体；所述芯体为三层同心圆结构；所述芯体中心层固定安装有旋流器；所述旋流器扇叶的宽度与所述喷头内壁适配；所述旋流器与所述变频微机控制器电性连接；所述芯体的边缘层开设有富氧孔道；所述芯体的次边缘层开设有保护气孔道；所述富氧孔道和保护气孔道均为等间距开设的扇形孔道。

所述保护气孔道内气体为氮气。

优选的，稳定生成“蘑菇头”的射流喷出，是工业生产中理想的喷出状态，可优化喷出参数，得到最佳的熔池搅拌效果，延缓吹氧喷枪及周围耐火砖的腐蚀速度，延长使用寿命。

更进一步的，吹氧喷枪通过旋流器与变频微机控制器的结合，保证了强化换热效果的同时大大减小了流体在喷枪内的流动阻力；旋转气流与熔池相互作用后形成更为均匀的气泡群射流，冲击深度更大，更易形成稳定的“蘑菇头”射流；

且通过旋流使搅拌效果得到强化促进了富氧空气和物料反应，熔池自热更加充分，熔炼过程中泡沫渣显著下降。同时，烟气中SO2浓度明显提高，为制酸工艺创造了良好条件。

更进一步的，通过增加富氧不但不会对炉体耐火材料和喷枪寿命造成不良影响，且会使喷枪的喷溅明显减弱。因此通过优化操作参数提高氧气的加入量，可充分激发熔池内的自热反应，使熔炼过程更加彻底，炉膛的负压也更容易控制。

本发明公开了以下技术效果：本发明针对不同熔炼阶段所需要的工艺环境、熔池液面和金属锍层的位置变化以及工艺风含氧量的波动，将富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台提供的最优工艺风量及压力参数赋予DCS系统，结合控制二次风量、稳定进料等手段，将冶金计算流体力学模拟与强化传热技术相结合，提高了富氧底吹熔池熔炼炉的生产效率、强化传热并以最小的能耗得到最佳的熔池搅拌效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统构成示意图；

图2为本发明喷头结构侧剖图；

图3为本发明喷头结构俯视图。

其中，1-喷头，2-芯体，3-中心层，4-旋流器，5-边缘层，6-富氧孔道，7-次边缘层，8-保护气孔道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种基于底吹氧枪的熔炼炉熔炼方法，包括以下步骤：

步骤一：设计新的熔炼炉或根据熔炼炉炉型设计参数，建立富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台；

步骤二：通过富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台根据实时熔炼过程建立熔炼炉的动力学-热力学瞬态形貌；

步骤三：将动力学-热力学瞬态形貌传递显示于DCS系统，DCS系统根据实时熔炼过程对变频微机控制器进行变频控制，实现对熔炼炉强化传热；

步骤四：DCS系统通过变频微机控制器控制底吹氧喷枪出富氧的频率。

步骤一中设计新的熔炼炉需根据设计参数和安装现场尺寸条件，通过富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台计算出熔炼炉的炉型尺寸，底吹氧枪的口径及相邻底吹喷枪的间距。

步骤二中富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台通过RNGκ-ε湍流扩散模型，VOF多相流模型，增强壁面函数模型和P1辐射模型得出流体力学传热传质控制方程组，并通过CFD软件进行求解；

采用压力隐式分裂算子耦合压力-速度场，计算出剧烈搅动的熔炼炉熔池内的动力学-热力学瞬态形貌。

压力隐式分裂算子耦合压力-速度场的压力离散格式采用PRESTO！格式；动力离散格式由二阶迎风格式实现，用于保证体积分数的瞬态几何重构。

步骤二还包括根据熔炼炉内熔炼过程参数，建立动态数据库；动态数据库用于对富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台得到的参数进行实时迭代式对比与智能化修正，将修正后的动力学-热力学瞬态形貌传递给DCS系统。

动态数据库是以熔炼炉内运行过程中的空气量，氧气量，给料速度，富氧浓度以及熔炼各阶段的熔池液面位置的基本变化规律、熔池波动的运行参数为基础建立的。

实时熔炼过程由熔炼炉不同熔炼阶段所需要的工艺环境，熔池液面和金属锍层的位置变化以及工艺风含氧量的波动决定。

吹氧喷枪包括枪身和与枪身法兰连接的喷头1；喷头1内安装有芯体2；芯体2为三层同心圆结构；芯体1中心层3固定安装有旋流器4；旋流器4扇叶的宽度与喷头1内壁适配；旋流器4与变频微机控制器电性连接；芯体2的边缘层5开设有富氧孔道6；芯体2的次边缘层7开设有保护气孔道8；富氧孔道6和保护气孔道8均为等间距开设的扇形孔道。

保护气孔道8内气体为氮气。

在本发明的一个实施例中，保护气孔道8开设有8个，富氧孔道6开设有4个；

在本发明的一个实施例中，在优化参数逐步取得稳定的熔炼工艺环境的前提下，渐进地提高工艺风的氧浓度至50％以上。

在本发明的一个实施例中，如图1，其左上角为富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台，左上图为实际熔炼炉结构，右上为建立的模拟平台，下方两图示意为平台计算结构的不同状态；中心图为

通过模拟平台与动态数据库进行对应，将迭代后最新熔炼炉内参数显示为动力学-热力学瞬态形貌至DCS系统；并实时采集运行过程中工艺参数输送至动态数据库；

进而通过变频微机控制器控制吹氧喷枪内喷溅效果，达到提高富氧底吹熔池熔炼炉的生产效率、强化传热并以最小的能耗得到最佳的熔池搅拌效果的目的。

在本发明的一实施例中，某冶炼厂炼铜车间的底吹炉，入炉料量的设计能力达95t/h。在试生产过程中存在底吹喷枪端头的蚀损严重寿命短(30天/支)，严重影响作业率，并且氧枪砖冲刷较快，熔体喷溅严重，由于熔体喷溅后粘接在加料口、炉口，工人难以操作，造成炉况恶化、工人劳动强度增加。究其原因在于底吹喷枪蘑菇头生长不规则，时有时无，生长不受控制，喷枪结构不合理导致喷枪出口压力和流速较低，气体射入熔池深度较浅，反应集中在喷枪出口，导致喷枪出口处温度较高难以形成“蘑菇头”。在调取了试运行过程中的空气量、氧气量、给料速度、富氧浓度以及熔炼各阶段的熔池液面位置的基本变化规律、熔池熔池波动等主要运行参数的基础上，建立了卧式底吹炉运行过程中的重要监测参数的动态数据库。

选取平均精矿成分为Cu 24.654％、Fe 22.442％、S 22.658％、SiO2 9.691％、CaO1.194％以及H2O 10％，将基本炉型参数如炉内径4.2m，长度13.5m，喷枪直径48mm等必要边界条件输入到富氧底吹熔池熔炼炉炉膛热过程数值模拟平台，利用RNGκ-ε湍流扩散模型和VOF多相流模型模拟高温熔池在底吹喷枪吹动搅拌下的复杂喷溅流型；利用增强壁面函数模型在P1辐射模型的框架下计算空气与氧气在混合式底吹氧枪作用下的混合湍流流动及其对喷枪的冷却效果，以得到喷枪合适蘑菇头大小及厚度，利用CFD软件Fluent解算上述方程组，利用Tecplot后处理软件将三维非稳态计算结果处理为动力学-热力学瞬态形貌的彩色云图通过DCS的显示系统呈现于主控制室。

DCS系统做出反应传递给变频微机控制器，根据炉膛热过程数值模拟平台提供的喷枪内流场、温度场的分布规律对喷枪气体喷吹进行变频控制，而变频控制主要是通过内嵌于混合式底吹喷枪的旋流器4来实现。

通过模拟平台的模拟计算，与DCS自带的线性数学模型相结合，给出此精矿构成条件下的最佳操作参数。实际生产运行过程中，在喷枪流量的优化控制下，混合式底吹喷枪与原有的多孔道喷枪相比减小了23％的流程阻力。同时，混合式底吹喷枪出口截面的气体流速无限接近该处气体音速，喷枪出口截面气体高于环境压力的剩余压力，使得气体能够深入熔池一定距离并且搅拌效果得到强化。在保证强化换热和形成受控的蘑菇头保护喷枪的前提下使得喷枪平均供风量由原有的12m3/s减少到10.5m3/s，而富氧含量由42％上升到65％，充分激发了精矿的自热反应，大大降低了单位产品能耗。综上使得喷枪的平均使用寿命提高到180天/支，作业率和负荷率提高了5.58％和1.28％，同时煤耗和能耗下降率76.33％和45.26％。

在本发明的一个实施例中，模拟平台采用具体如下方案：

连续性方程

在VOF模型中，通过求解一相或者多相体积分数的连续性方程来实现对相界面的追踪，气液相体积分数连续性方程分别如下所示。

式中:

α

S

ρ

F——作用于控制容积上的体积力，N；μ——动力粘度，Pa·s。

动量守恒方程

VOF模型是一种固定的欧拉网格下的表面跟踪方法，通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或三种不能混合的流体，VOF模型中的速度场可通过求解整个计算区域内的单一动量方程得到，并且速度场作为计算结果由各相共享，动量方程如式(4)所示。

式中:ρ——流体密度，kg/m3；P——压强，Pa；v——流体速度，m/s；

F——作用于控制容积上的体积力，N；μ——动力粘度，Pa·s。

能量守恒方程

(5)式中前三项分别表示热传导、组分扩散以及粘性耗散引起的能量输运，Sh为反应热和体积热源项，Eq为通过第q相的比热容和共享的温度T计算所得到的，keff表示有效热传导。

湍流模型

湍流动能k方程：

湍流动能耗散率ε方程：

RNG k-ε方程中相关常数由理论分析给出:

C

C

β＝0.012,

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。